JP2011109898A - モジュール構造の変換器装置 - Google Patents

Abstract

【課題】モジュール構造の変換器装置を提供する。
【解決手段】本発明は、それぞれ主モジュールを形成する複数の変換器アセンブリ用の格納筐を含む変換器装置に関する。この変換器アセンブリはそれぞれサブモジュールからなり、そのサブモジュールはそれぞれスイッチモジュールおよびコンデンサモジュールとして形成される。格納筐は、変換器アセンブリの電気接続のための接続素子を有し、かつ、各変換器アセンブリに対して、それを機械的に配置するためのレールシステムを有する。コンデンサモジュールは、関連するスイッチモジュールに電気接続するためのＤＣ電圧接点素子と、摺動素子とを有する。スイッチモジュールは、冷却装置と、パワー半導体モジュールと、専用の摺動素子とを有する。サブモジュールの摺動素子は、格納筐のレールシステムの同じレール内に積重ね方式で配置される。
【選択図】図２

Description

本発明は、ある場合には、例えば風力発電設備または光起電力設備において多重に並列に配置されて、その設備で発電される電流を電力供給システムに適合させる機能を果たすような変換器装置に関する。風力発電設備は、風速に応じて、時間的に変化する出力電圧を、同様に変化する周波数で発電する。光起電力設備においては、通常、時間的に変化するＤＣ電圧が発電される。しかし、一般的に、電力供給システムに給電するには、一定周波数における規定されたＡＣ電圧の発電が必要である。

このため、例えば特許文献１から、商業的に入手可能なパワー半導体モジュールのカスケード構成が知られる。このようなカスケード構成を接続して変換器装置を形成する場合は、その使い易さ、すなわち、欠陥のある構成要素を素早くかつ簡単に取り換え得ることが、その構造の必須の側面になる。

独国特許出願公開第１９８３２２２５Ａ１号明細書

本発明の目的は、モジュール式の変換器装置であって、製造中は簡単な構造を活かすことができ、使用中は簡単かつ素早い修理を可能にする個々の変換器アセンブリから構成される変換器装置を提供することにある。

この目的は、請求項１の特徴を含む変換器装置によって、本発明に従って実現される。好ましい実施形態が従属請求項に記載される。

本発明の出発点は、複数の、好ましくは同一の変換器アセンブリから形成されるモジュール構造の変換器装置である。この変換器アセンブリは、通常格納筐として形成される収納装置内に配置される。従って、この変換器アセンブリは、変換器装置の主モジュールを形成し、この主モジュールそのものとしては、サブモジュール、つまりコンデンサモジュールとスイッチモジュールとから構成される。主モジュールまたはサブモジュールの回路適合した電気接続のために、収納装置は、好ましくは、２極のＤＣ電圧接続素子および少なくとも１相、通常３相のＡＣ電圧接続素子として形成される接続素子を有する。

コンデンサモジュールは、それぞれ、複数のコンデンサと、関連するスイッチモジュールのＤＣ電圧接点素子に電気接続するための、好ましくはさらに収納装置のＤＣ電圧接続素子に電気接続するための少なくとも１つのＤＣ電圧接点素子とを有する。好ましくは、これを、１つの共通の、あるいは空間的に分離された２つのＤＣ電圧接点素子によって形成することができる。

スイッチモジュールは、冷却装置と、その上に配置される少なくとも１つのパワー半導体モジュールと、ＡＣ電圧接点素子およびＤＣ電圧接点素子とを有する。ＤＣ電圧接点素子は、コンデンサモジュールの関連するＤＣ電圧接点素子に接続する機能を有するが、その結果として、例えば、ＤＣ電圧中間回路と、それに接続される半ブリッジ回路とが形成される。従って、３つの主モジュールを配置することによって、接続された中間回路を含む３相のブリッジ回路を形成することが可能である。この場合、エネルギーは、中間回路に一時的に貯留され、ブリッジ回路において所要の周波数の電圧に変換されて、それぞれのスイッチモジュールのＡＣ電圧接点素子および収納装置の接続素子から電力供給システムに給電される。

本発明によれば、収納装置は、主モジュールまたはサブモジュールを機械的に配置するためのそれぞれのレールシステムを有しており、このレールシステムは、収納装置の背面側から前面側に延びる２つのＵ字形体によって好適に形成される。このため、各サブモジュールは、このレールシステムの中に配置できる適切な摺動素子を有しており、この摺動素子によって、各サブモジュールの前面側からの装着および取り外しが可能になる。

この場合、背面側から前面側に向かって見ると、収納装置の接続素子と、各コンデンサモジュールと、関連するスイッチモジュールとが、１つの積重ねを形成する。この構成の場合は、その積重ねの各部分の回路適合した電気接続も形成できる。この場合に必須であるのは、スイッチモジュールと、コンデンサモジュールおよびスイッチモジュールから形成される主モジュールとを装着および取り外しするための必要な締結、好ましくはネジ締結を、収納装置の前面側から操作し得るという点である。その結果として、このモジュール構造の変換器装置が、第１に、簡単に製造可能になり、さらに、その構成要素を使用中に簡単に交換できる。

本発明の特に好ましい発展形態を、典型的な実施形態のそれぞれの記述において説明する。さらに、本発明に係る解決策を、典型的な実施形態および図１〜７に基づいて詳しく説明する。

本発明に係る変換器装置を前面側から見たきわめて概略的な図である。 同様にきわめて概略的な関連詳細図で図１のＡ方向から見た側面図である。 本発明に係る変換器装置の詳細図の１つで背面図を示す。 本発明に係る変換器装置の詳細図の１つで２つのサブモジュールを示す。 本発明に係る変換器装置の詳細図の１つで主モジュールを示す。 本発明に係る変換器装置の詳細図の１つで前面図を示す。 本発明に係る変換器装置の詳細図の１つで第１収納部を示す。

図１は、本発明に係る変換器装置１を前面側から見たきわめて概略的な図である。この変換器装置１は、格納筐として形成される収納装置２であって、主モジュール４用の３つの収納部を有する収納装置２を含む。但し図においては、１つの主モジュール４が低段の収納部に配置され、ただ１つのコンデンサモジュール８が中段の収納部に配置され、上段の収納部にはモジュールが配置されていない。

図は、それぞれ、格納筐２の前面側から背面側に延びる２つのＵ字形のガイドとして形成されるレールシステム２０を示している。図は、同様に、格納筐２の接続素子２２、２４、２６、すなわち、それぞれ２極用の２つのＤＣ電圧接続素子２２、２４の部分と、１つのＡＣ電圧接続素子２６とを示している。

中段の収納部には、１つのサブモジュール、すなわちコンデンサモジュール８が配置されている。このため、このモジュール８は、レールシステム２０の関連する各Ｕ字形体内に装着されるそれぞれ少なくとも１つの摺動素子６０を有する。この摺動素子６０によって、サブモジュール６を、前面側から格納筐２内に装着でき、また、前面側に向かって取り外すことができる。このためには、電気的および機械的接続を切り離すことだけが必要である。

低段の収納部には、コンデンサモジュール８に加えて、スイッチモジュール６もその中に配置されている。これは、コンデンサモジュール８がすでに装着された場合に装着可能であり、また、コンデンサモジュール８とは別個に取り外すことができる。このため、スイッチモジュール６にも、コンデンサモジュールの摺動素子８０と同様の、同じレール２０内に装着される摺動素子６０が設けられる。必要な電気接続のために、２つのサブモジュール６、８の各ＤＣ電圧接点素子２２、２４を回路適合するように相互に接続する。この接続が適切に形成されると、スイッチモジュール６の格納筐２へのさらなる機械的な固定は省略できる。

スイッチモジュール６のＡＣ電圧接点素子６６がさらに表現されている。この接点素子は、レールシステム２０に平行に配置される付加部分２６０によって、ＡＣ電圧接続素子２６に接続される。この場合、その付加部分２６０が、主モジュール４および個々のモジュール６、８のレールシステム２０に沿う動きの空間をいずれも制限することはなく、その結果、装着および取り外しは妨害されない。

図２は、同様にきわめて概略的な関連詳細図であって、図１による変換器装置１の一部分の形態に相当する、Ａ方向からの側面図として見た詳細図である。この図から、格納筐２の背面領域におけるその接続素子２２、２４、２６と、コンデンサモジュール８と、スイッチモジュール６との積重ねとしての構成が明らかになる。これらは、それぞれ互いに離して表現されている。

この場合、接続素子２２、２４、２６は、再言すると、２つのＤＣ電圧接続素子２２、２４と１つのＡＣ電圧接続素子２６とを有するが、後者のＡＣ電圧接続素子２６は、レールシステム２０に対して、具体的には２つのＵ字形状の形体の上部の方に対して平行に配置される付加部分２６０を有する。この部分２６０は、スイッチモジュール６のＡＣ電圧接点素子６６まで延びている。

図は、さらに、サブモジュール６、８ごとに、２つの上部および２つの下部摺動素子６０、８０であって、各サブモジュールまたはそれから形成される主モジュールを格納筐２の関連するレールシステム２０内にガイドする摺動素子６０、８０を示している。変換器装置１の本発明に係るモジュール構造の利点は、特にこの側面図から明らかになる。この場合に必須であるのは、すべての接続の締結手段、特にスイッチモジュール６または主モジュール４を装着および取り外しするための締結が前面から操作できるという点、および、サブモジュール６、８が動く空間内に、装着および取り外しを妨げる構成要素が延び込むことは全くないという点である。

図３〜７は、本発明に係る変換器装置１とその構成要素との種々の角度から見た詳細な実施形態を示す。

この場合、図３は背面図を示す。ここでは、特に、相ごとに、レールシステムに平行な付加部分２６０をそれぞれ有する２つの平板状の金属体から構成されるＡＣ電圧接続素子２６ａ／ｂ／ｃを明確に認めることができる。

図４および５は、本発明に係る変換器装置の主モジュール４およびサブモジュール６、８― 主モジュール４を形成する ―を示す。この場合、コンデンサモジュール８は、複数の個別コンデンサ８００と、ＤＣ電圧の両極用のこのコンデンサ８００の平板状の接続素子８０４とを有する。この接続素子８０４は、その側方の外側領域において、スイッチモジュール６に対するＤＣ電圧接続素子８２、８４を同時に形成する。

コンデンサモジュール８の頂部側に摺動素子８０が表現されている。この摺動素子は、レールシステム２０（図３参照）と連携して、コンデンサモジュール８の簡単な装着および取り外しを可能にする機能を担う。それは、摺動素子がレールシステム内でガイドされる結果として、コンデンサモジュールの位置が、レールに沿う１次元においてのみ自由になるからである。

スイッチモジュール６は、この場合水冷装置である冷却装置６００を有する。複数の、図では４つの同一のパワー半導体モジュール６１０が、それぞれ、側方からその冷却装置６００の上に配置される。このパワー半導体モジュールは、すべて並列に接続され、１ＭＷ程度の大きさの出力を有する半ブリッジ回路を形成する。

コンデンサモジュール８に面する側には、スイッチモジュール６のＤＣ電圧接続素子６２、６４が、そのパワー半導体モジュール６１０に付属しており、パワー半導体モジュール６１０のＤＣ電圧端子に回路適合するように接続される。パワー半導体モジュール６１０のＡＣ端子は、コンデンサモジュール８と反対側に配置され、ＡＣ電圧接続素子６６に接続される。

スイッチモジュール６は、コンデンサモジュール８の摺動素子と同じラインに並べられた専用の摺動素子６０を有しており、その摺動素子は、装着または取り外しの間の操作性を改善するために追加的にハンドル６２０に連結されている。図２の説明において述べた利点がこの場合も同様に提供される。

図６および７は、前面側から見た本発明に係る変換器装置１を示す。図６は、図１に対応して３つの収納部を表しているが、上段の収納部にはモジュールが配備されておらず、他の２つの収納部は、それぞれ、主モジュール４を備えている。これとは対照的に、図７は、コンデンサモジュール８が配置された第１収納部を表現している。

図においては、格納筐の背面領域２（図３参照）に、相ごとにそれぞれ２本の金属体からなるＡＣ電圧接続素子２６ａ／ｂ／ｃが示されている。格納筐２の上段の空の収納部には、レールシステム２０と、さらにＡＣ電圧接続素子２６の付加部分２６０とが明確に認められる。サブモジュール６、８またはそれから形成される主モジュール４の摺動素子６０、８０をこのレール２０の中に配置できる。このレールシステム２０に平行に、それぞれの上段レールに並んで、ＡＣ電圧接続素子２６の２つの付加部分２６０が次のような態様で配置される。すなわち、その付加部分２６０が、モジュールが必要とする動きの空間内に延び込むことは全くないために、サブモジュール６、８または主モジュール４の装着または取り外しを妨げることがないような態様で配置される。

別の２つの収納部には、それぞれ、主モジュール４が配置され、その主モジュールの内、スイッチモジュール６のパワー半導体モジュール６１０を明らかに認めることができる。このパワー半導体モジュール６１０のＤＣ電圧端子はスイッチモジュール６のＤＣ電圧接点素子６２、６４に接続され、一方、このＤＣ電圧接点素子６２、６４は、その背後に配置されるコンデンサモジュール８の関連するＤＣ電圧接点素子８２、８４に、回路適合するように、すなわち極性適合して接続される。主モジュール４の装着または取り外しに必要なすべての締結手段、例えばネジ締結６０２は、前面側から操作可能である。

図は、さらに、冷却流体用の、格納筐２内に配置される複数の中央ライン１０と、１つの供給ラインおよび１つの排出ラインとを示している。これらの中央ライン１０は、それぞれのスイッチモジュールに至る冷却水供給ライン１２に接続されており、この供給ラインは部分的に可撓管として形成される。この冷却水供給ライン１２は、スイッチモジュール６の冷却装置に繋がっており、かつ、冷却装置６００上に簡単な連結用の自己シール型クイック作動閉止器１４を備えている。なお、この冷却装置は水冷装置６００として形成される。

図７は、図６と対照的に、上段収納部に配置されるコンデンサモジュール８を示している。このモジュールは、図４および５を参照して上に述べたものと同じコンデンサモジュールである。このコンデンサモジュール８は、必要な電気接続に加えて、追加的に、摺動素子８０の横に、格納筐に対する別の、好ましくはネジ止めの機械的な締結具を有する。この機械的な締結具も、サブモジュールまたは主モジュールが装着された場合、前面側から操作し得るように配置される。

以上例示しかつ説明した本発明に係る変換器装置１の実施形態においては、個別のサブモジュール６または主モジュール４をも、格納筐２の中に、整備作業時にこれらの部品を簡単に取り外しできるように装着することが可能である。

１ 変換器装置
１０ 中央ライン
１２ 冷却水供給ライン
１４ クイック作動閉止器
２ 収納装置
２０ レールシステム
２２ ＤＣ電圧接続素子
２４ ＤＣ電圧接続素子
２６ ＡＣ電圧接続素子
２６０ ＡＣ電圧接続素子の付加部分
４ 主モジュール
６ スイッチモジュール
６０ 摺動素子
６００ 冷却装置
６０２ ネジ締結
６１０ パワー半導体モジュール
６２ ＤＣ電圧接点素子
６２０ ハンドル
６４ ＤＣ電圧接点素子
６６ ＡＣ電圧接点素子
８ コンデンサモジュール
８０ 摺動素子
８００ コンデンサ
８０２ ネジ締結
８０４ 接続素子
８２ ＤＣ電圧接点素子
８４ ＤＣ電圧接点素子

Claims (7)

1. それぞれ主モジュールを形成する複数の変換器アセンブリ（４）用の収納装置（２）を備えて成るモジュール構造の変換器装置（１）であり、前記変換器アセンブリ（４）はそれぞれサブモジュールからなり、そのサブモジュールはそれぞれスイッチモジュール（６）およびコンデンサモジュール（８）として形成される変換器装置（１）であって、
   前記収納装置（２）が、前記変換器アセンブリ（４）の回路適合した電気接続のための少なくとも１つの接続素子（２２、２４、２６）を有し、かつ、各変換器アセンブリ（４）に対して、それを機械的に配置するためのレールシステム（２０）を有し、
   前記コンデンサモジュール（８）は、複数のコンデンサ（８００）と、関連する前記スイッチモジュール（６）のＤＣ電圧接点素子（６２、６４）および前記収納装置（２）の接続素子（２２、２４、２６）に電気接続するための少なくとも１つのＤＣ電圧接点素子（８２、８４）と、摺動素子（８０）とを有し、
   前記スイッチモジュール（６）は、冷却装置（６００）と、その上に配置される少なくとも１つのパワー半導体モジュール（６１０）と、ＡＣ電圧接点素子（６６）およびＤＣ電圧接点素子（６２、６４）と、摺動素子（６０）とを有し、
   主モジュール（４）のサブモジュール（６、８）の前記各摺動素子（６０、８０）を、前記収納装置（２）のレールシステムの関連する同じレール（２０）内に、積重ね方式で配置して、それで前記収納装置（２）の接続素子（２２、２４、２６）がその積重ねの第１部分を形成し、前記コンデンサモジュール（８）がその積重ねの第２部分を形成し、前記スイッチモジュール（６）がその積重ねの第３部分を形成し、かつ、それによって、その積重ねの各部分の必要な回路適合した電気接続が形成され得る、
   変換器装置。
2. 前記冷却装置（６００）それぞれが水冷装置であり、前記収納装置（２）が、その各冷却装置（６００）にクイック作動の閉止器（１４）を介して接続できる中央ライン（１０）を有する、請求項１に記載の変換器装置。
3. 前記収納装置（２）が格納筐として形成され、その背面側に、２極を有するＤＣ電圧接続素子（２２、２４）として、かつ、少なくとも１つの相を有するＡＣ電圧接続素子（２６）として構成された接続素子（２２、２４、２６）が配置される、請求項１に記載の変換器装置。
4. 主モジュール（４）の前記レールシステム（２０）が、前記サブモジュール（６、８）の摺動素子（６０、８０）をガイドするための少なくとも２つのＵ字形体を有し、それらが前記格納筐（２）の背面側から前面側に延びている、請求項３に記載の変換器装置。
5. 前記コンデンサモジュール（８）のＤＣ電圧接点素子（８２、８４）が、前記格納筐（２）の前面側から操作し得るネジ締結（８０２）によって、前記格納筐（２）のＤＣ電圧接続素子（２２、２４）に導電接続される、請求項３に記載の変換器装置。
6. 前記スイッチモジュール（６）とそれに関連するコンデンサモジュール（８）とのそれぞれのＤＣ電圧接点素子（６２、６４）が、前記格納筐（２）の前面側から操作し得るネジ締結（６０２）によって導電接続される、請求項３に記載の変換器装置。
7. 前記各変換器アセンブリ（４）に付属する少なくとも１つのＡＣ電圧接続素子（２６）が、前記レールシステム（２０）に平行に配置された付加部分（２６０）を有し、その付加部分は、前記レールシステム（２０）に沿う前記主モジュール（４）の動きの空間を制限しない、請求項３に記載の変換器装置。
   

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